CC BY
21
УДК 622.414
Я.С. Ворошилов, А.А. Поморцев Д.С. Хлудов
ООО «Горный-ЦОТ»
Повышение точности измерения низкой скорости воздуха с помощью анемометра АР-П
Приведены результаты исследований по разработке портативного анемометра для измерения скорости воздуха в горных выработках
Ключевые слова: ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ, АНЕМОМЕТР, СКОРОСТЬ ВОЗДУХА, ОПЫТЫ, ВЫРАБОТКА, УГОЛЬНАЯ ШАХТА, ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ
Ya.S. Voroshilov, A.A. Pomortsev, D.S. Khludov. Accuracy increase of low velocity air measurement with AR-P anemometer
Research results of portable anemometer design for air velocity measurement in mines are given Key words: MEASUREMENT ACCURACY, ANEMOMETER, AIR VELOCITY, TESTS, OPENING, COAL MINE, SAFETY RULES
Точность измерения расхода воздуха в горных выработках является одним из главных факторов, определяющих эффективность и качество управления проветриванием газоносных угольных шахт. Чрезмерная погрешность приводит либо к неоправданному риску из-за превышений концентрации метана допустимого уровня (риск потери добычи, увеличения взрывопожаро-опасности), либо к нерациональному расходованию воздуха.
В соответствии с «Правилами безопасности в угольных шахтах» средняя скорость воздуха в призабойных пространствах очистных выработок всех шахт должна быть не менее 0,25 м/с, на шахтах III категории и выше, а также в некоторых тупиковых выработках - не менее 0,5 м/с. При проходке и углубке вертикальных стволов и шурфов, в тупиковых выработках негазовых шахт и в остальных выработках, проветриваемых за счет общешахтной депрессии, не менее 0,15 м/с. Верхний предел диапазона скоростей в вентиляционных скважинах неограничен, а в остальных выработках максимально допустимые значения составляют 4-15 м/с.
Таким образом, с учетом требований правил безопасности для измерения скорости 0,15 м/с нижний край диапазона измерений анемометра должен быть не менее 0,1 м/с, а верхний предел для большинства практических применений анемометра может быть принят равным 20 м/с.
В 2006 г. ООО «Горный ЦОТ» (г. Кемерово) разработал анемометр АР-П нового поколения для измерения скорости воздуха в горных выработках, принципиально отличающийся от существующих приборов для эпизодического контроля скорости воздуха.
В результате проведенных исследований был разработан и принят к технической реализации способ контроля скорости воздуха в атмосфере горных выработок, основанный на регистрации перепада давления воздушного потока, создаваемого на диафрагме. Измерение осуществляют с помощью датчиков, данные с которых поступают в процессор и в дальнейшем могут считы-ваться из его памяти с помощью компьютера. Диапазон измерения скорости воздушного потока при использовании двух датчиков составляет 0,05-30 м/с.
Для повышения точности измерений было проведено компьютерное моделирование полей скорости и давления и параметров обтекания при различных профилях приемной трубки и скорости движения внешнего аэродинамического потока. Результаты компьютерного моделирования аэродинамических ситуаций приведены ниже.
Первоначально была предложена кольцевая диафрагма, установленная перпендикулярно в цилиндрическом профиле приемной трубки (рисунок 1). При использовании такой диафрагмы в измерительном канале анемометра образовывались сильные вихревые явления даже на малых скоростях. Регистрация перепада давления, создаваемого на диафрагме, была невозможна, так как не обеспечивалась стабильность измерения.
Рисунок 1 - Распределение давления по сечению приемной трубки с перпендикулярной перегородкой диафрагмы (длина трубки 100 мм, скорость потока воздуха 0,25 м/с)
Было принято решение изменить форму приемной трубки путем создания конусной кривизны патрубка для уменьшения вихреобразования в средней его части. Были рассмотрены два варианта: создание и исследование симметричного конусного профиля приемной трубки длиной 100 и 150 мм. Моделирование аэродинамических параметров при длине приемной трубки, равной 100 мм, не позволило устранить появление зон турбулентности потока во всем диапазоне исследуемых скоростей. Зоны наибольшей турбулентности особенно отчетливо наблюдались при скорости спутного потока менее 1 м/с (рисунок 2).
Рисунок 2 - Распределение давления по сечению приемной трубки с прямолинейной конусной диафрагмой (длина трубки 100 мм, скорость потока воздуха 0,25 м/с)
Увеличение длины приемной трубки до 150 мм позволило стабилизировать поля скоростей и давления внутри симметричного конусного профиля, добиться ламинарности течения вблизи диафрагмы и на входе-выходе из измерительной трубки (рисунок 3) и четкой регистрации перепада давления на диафрагме в диапазоне измерения 0-2 м/с.
Рисунок 3 - Распределение давления по сечению приемной трубки с удлиненным профилем сглаженной конусной диафрагмы (длина трубки 150 мм, скорость потока воздуха 0,25 м/с)
После проведения дополнительных опытов на низких скоростях было установлено, что повысить чувствительность прибора на низких скоростях возможно, изменив расстояние от диафрагмы до воздухозаборных отверстий. Были испытаны три образца с различным расстоянием до воздухозаборных отверстий. На рисунке 4 приведена схема расположения воздухозаборных отверстий с расстоянием 5 мм от диафрагмы. При таком расположении при скоростях ниже 0,35 м/с была заметна нестабильность показаний.
150
В следующем опыте расстояние было увеличено до 8 мм (рисунок 5). Это позволило получить стабильный поток при скорости ниже 0,2 м/с.
- - .........
Рисунок 5 - Схема расположения воздухозаборных отверстий (8 мм)
При увеличении расстояния до 10 мм (рисунок 6) удалось стабилизировать поток при скорости от 0,05 м/с. На всех образцах также был проверен верхний предел измерения. Изменение расстояния до воздухозаборных отверстий не оказало существенного влияния на данный параметр.
150
Р--
^0
Рисунок 6 - Схема расположения воздухозаборных отверстий (10 мм)
Таким образом, была обеспечена точность измерений в диапазоне низких скоростей 0-2 м/с с сохранением верхнего предела измерения.
